柴達木盆地典型地貌單元歸一化植被指數變化特征

楊運航,文廣超,謝洪波,王 琳

(河南理工大學 資源環境學院,河南 焦作 454000)

植被是陸地生態系統中重要的組成部分，是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶，植被的變化在一定程度上反映了土地覆蓋以及區域自然地理環境的變化情況[1]。地表植被指數是描述生態系統特征的基礎數據，獲取地表植被覆蓋及其變化信息，對于評價區域生態環境等具有重要現實意義[2]。遙感數據具有時間跨度長，覆蓋范圍廣等優點，越來越多的遙感影像被用來監測某一地區的植被變化[3]。歸一化植被指數(normal difference vegetation index,NDVI)是目前應用最為廣泛的植被指數[4]，已成為監測植被覆蓋情況及其生長狀況的最佳植被指數[5]。目前國內外學者對于植被指數數據的應用已經做了很多研究，主要集中在植被指數與氣象及氣候因子的相互關系。徐浩杰[6]等以MODIS NDVI數據為基礎，結合氣溫和降水量數據，探究柴達木盆地植被生長時空變化特征及對于氣候要素的響應。朱文會[7]等利用NOAA/AVHRR的NDVI旬合成資料和地面月降雨數據、平均氣溫等資料，探究了三江源地區NDVI的時空變化特征及其對于氣候要素變化的響應。鐘紅平[8]等利用MODIS NDVI數據結合氣象因子、土地利用類型及海拔高度數據，探究了近10 a植被覆蓋度在時間和空間的變化特征。Roerink等[9]利用NOAA/AVHRR發布的10 d最大值合成的歸一化植被指數數據和氣候數據，通過研究非洲撒哈拉和歐洲部分地區植被和氣象的關系，得出在干旱的地區氣候是影響植被指數變化的主要因素。利用遙感技術與生態反演相結合，可以定性與定量的分析出環境與生態的變化，為柴達木盆地的生態環境保護與開發提供技術與信息支持。但是近些年，隨著青藏高原“一帶一路”和“西部大開發”的倡議和旅游業的快速發展[10]，柴達木盆地人口呈現增長趨勢，生態環境整體呈持續改善趨勢。對于較大區域直接進行整體分析，難以表現出地區性，難以體現區域人類活動對于生態環境的影響。因此，本文利用多年NDVI的變化趨勢，分析柴達木盆地不同地形地貌單元下植被空間分布特征及生態的變化趨勢，為制定有針對性的生態環境保護策略提供決策支持與數據依據。

1 研究區概況

柴達木盆地位于青藏高原北緣，緯度：34°45′—39°20′N，經度：90°00′—99°17′E，海拔高度2 427～6 212 m。盆地的西北、東北和南面分別被阿爾金山、祁連山和昆侖山環繞，形成封閉的山間盆地[11]。根據形態類型加成因類型復合分類的方法，將柴達木盆地分為4個一級地貌區[12]，包括阿爾金山—祁連山山地區(Ⅰ)、柴達木盆地區(Ⅱ)、昆侖山山地區(Ⅲ)和鄂拉山山地區(Ⅳ)。盆地內干旱少雨，蒸發量大，形成了典型的高原大陸氣候，為干旱半干旱地區。盆地內河網密布，湖泊眾多，盆地內植被覆蓋率小于5%，森林覆蓋率為0.84%[13-14]。

2 數據與方法

2.1 數據源與預處理

研究使用的遙感影像主要來源于USGS(https:∥earthexplorer.usgs.gov)和地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)發布的Landsat系列數據(表1)和DEM(digital elevation model,DEM)數據(空間分辨率30 m)。原始遙感影像進行輻射定標、大氣校正等預處理以剔除云及氣溶膠等影響。大氣校正后反射率范圍為0～10 000，對于不在該范圍的異常值進行縮放處理，將DN值的最高值和最低值調整為10 000，0。利用ENVI和ArcGIS等軟件對DEM數據進行處理，得出研究區內NDVI和海拔等數據。坡度由ArcGIS表面分析工具Slope，據DEM數據直接提取，坡度范圍為0°～90°。

表1 本研究使用數據成像時間

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數 本文引用歸一化植被指數(NDVI)[15]用于反映不同地貌單元下植被指數的變化特征，計算公式為：

(1)

式中：NIR為近紅外波段；R為可見光紅波段；NDVI的取值范圍為[-1,1]。

2.2.2 趨勢線分析 趨勢線分析法是利用每個斜率模擬每個柵格的變化趨勢，得出不同時期植被覆蓋變化的空間特征[16]。本文利用此方法得出柴達木盆地多年NDVI的變化趨勢，計算公式為：

(2)

2.2.3 相關分析 本文利用相關分析法研究了海拔對于盆地內NDVI的影響[17]，計算公式為：

(3)

3 結果與分析

3.1 NDVI空間變化分析

基于1998—2018年5期影像數據提取出來的不同地貌單元下的NDVI結果詳見表2。由表2可知，1998—2003年，柴達木盆地受到崩塌、滑坡、泥石流等多種自然災害，耕地、草地、林地等處植被受到嚴重影響，NDVI呈現明顯的下降趨勢；2003—2008年，國家政策調整及人們環保意識加強，盆地內全區NDVI呈現出明顯的增長；2008年之后，NDVI呈現出相對穩定狀態。從橫向看，同一年內祁漫塔格山—布爾汗布達山大起伏高山極高山區(Ⅲ1)NDVI值較大，茫崖—冷湖中海拔、風蝕殘丘古湖盆區(Ⅱ1)NDVI較小。NDVI總體表現出東南高、西北低的走勢(見表2)。

表2 柴達木盆地1998-2018年NDVI在不同地貌區主要分布區間

利用公式(2)得出趨勢線的斜率NDVIθ，NDVIθ大于0，說明NDVI呈現增加趨勢，相反NDVIθ小于0，NDVI呈現減少趨勢，NDVIθ絕對值越大，則NDVI值變化越明顯。根據NDVIθ值的變化范圍及相關學者實際研究情況[18-19]，定義NDVIθ分為7個變化等級(見表3)，統計在不同地貌區下各個植被變化等級所占的面積比例。

表3 柴達木盆地不同斜率在各個地貌分區所占面積比例

由表2—3可以看出，在1998—2018年，盆地內不同地貌單元分區的NDVI呈現如下變化特征：改善較明顯的地區主要集中在塞什騰山—宗務隆山冰川、冰緣、流水作用中—大起伏高山寬谷區(Ⅰ4)，改善面積達到67.61%；蘇干湖，中海拔流水作用盆地區(Ⅰ3)，改善面積達到59.26%；昆侖山前洪積平原區(Ⅱ4)，改善面積達到58.11%；祁漫塔格山—布爾汗布達山大起伏高山極高山區(Ⅲ1)，改善面積達到52.79%。柴達木盆地作為典型的干旱半干旱地區，水源是限制植被生長的關鍵因子[6]。以昆侖山前洪積平原區為例，該區內有大范圍的沖積扇和洪積扇，在沖積扇和洪積扇形成良好的透水網，水源充足，且植被類型多以草甸和針葉林、闊葉林為主，呈現出較好的長勢。人類活動也是影響區域NDVI變化的主要因子，2004年青海省先后組織了“青海省藏族少數民族地區生態環境保護知識普及計劃”和“千鄉萬村環境保護科普行動計劃”等環保活動，并認真落實國家“退耕還林還草”等政策，提出禁牧、休牧1.14×106hm2，隨著公眾生態環保意識的增強，德令哈等地區生態環境明顯改善。退化較明顯的地區主要在達布遜中海拔、鹽湖沉積平原區(Ⅱ3)河湖沿岸(如圖1所示)，以臺吉乃爾湖和達布遜湖為例，人類活動較強，聚集有較大的采鹽場，土地鹽漬化較重，不適宜植被生長，植被生長受限呈現退化趨勢。

圖1 柴達木盆地NDVI變化等級

3.2 NDVI隨海拔變化分析

為了更好地分析柴達木盆地內NDVI與海拔的相關性及其影響因素，將多年NDVI利用最大值合成法，并對合成的NDVI最大值進行分級處理，利用從低值到高值均等分布的方法將其分為0～0.1，0.1～0.2，0.2～0.3，0.3～0.4，0.4～0.5，0.5～0.6和>0.6共7個等級，植被指數重分類后與降雨等值線相疊加分析NDVI隨海拔及降雨變化規律(見圖2)。

圖2 柴達木盆地多年最大化NDVI分級

柴達木盆地內NDVI偏低，多年最大化NDVI主要集中在0.1～0.2。盆地內多年最大化NDVI小于0.1的區域主要分布海拔低于3 000 m的柴達木盆地區(Ⅱ)，盆地內多年最大化NDVI大于0.4地區主要分布在盆地的外圍圈層——昆侖山山地區(Ⅲ)和鄂拉山山地區(Ⅳ)。NDVI隨海拔高度表現出連動性，為定量分析NDVI和海拔變化的規律，利用NDVI與海拔高度進行相關性分析，結果詳見表4。1998—2018年，隨著海拔的升高，柴達木盆地NDVI呈上升趨勢，與海拔呈現明顯的正相關。1998，2003，2008，2013和2018年的相關系數分別為0.086，0.091，0.094，0.019和0.075，相關系數越大，NDVI隨著海拔升高變化越明顯。不考慮河流及湖泊等影響，盆地NDVI分布和海拔變化表現出一定的連動性。柴達木盆地屬于典型的中緯度高寒、干旱大陸氣候，盆地外圍海拔多在4 000 m以上，中間海拔多在3 000 m左右，海拔落差達到1 000 m，來自西南和東南的暖濕氣流無法直接進入盆地內部，導致盆地內降雨分布不均勻。盆地內降雨表現出一定的地帶性，在海拔較高的地區降雨量較大，海拔較低的地區降雨量較少。由圖3—4可以看出，在4 000 m及以上的祁漫塔格山—布爾汗布達山大起伏高山極高山區(Ⅲ1)和鄂拉山冰緣、流水作用大起伏高山區(Ⅳ1)等地，降雨量在200 mm及以上，NDVI多大于0.3，個別地區大于0.4，生長植被以草甸、沼澤等喜濕性植被為主。在德令哈中海拔流水作用丘陵臺地平原區(Ⅱ2)和昆侖山前洪積平原區(Ⅱ4)等地，海拔在3 000 m到4 000 m之間，降雨量介于100 mm到200 mm，NDVI最大值主要介于0.2～0.4，植被類型以草原為主。NDVI常年小于0.1的地區海拔高度普遍低于3 000 m，以盆地中心茫崖—冷湖中海拔、風蝕殘丘古湖盆區(Ⅱ1)和達布遜中海拔、鹽湖沉積平原區(Ⅱ3)為主，有一定的外延性，植被類型以荒漠植被為主并夾雜著少量草原和沼澤。近幾年人類工業活動導致全球氣候變暖，高海拔地區冰雪融化，為植被的生長提供充足的水資源也是導致植被變化和海拔變化呈現出聯動性的關鍵因素。

表4 柴達木盆地1998-2018年NDVI與海拔高度的相關系數

3.3 NDVI隨坡度變化分析

依據國際地理學聯合會地貌調查制圖委員會關于地貌詳圖應用的坡地分類來劃分坡度等級，規定：0°～0.5°為平原，0.5°～2°為微斜坡，2°～5°為緩斜坡，5°～15°為斜坡，15°～35°為陡坡，35°～55°為峭坡，55°～90°為垂直壁[20]。將NDVI變化等級和坡度變化等級相疊加，得出NDVI和坡度等級變化的關系。根據圖3統計不同植被等級下各個坡度等級所占的比重得出，在平原、峭坡和垂直壁NDVI大于0.2的面積不超過13%，NDVI隨著坡度的增大呈現出先升高后下降的趨勢。

圖3 柴達木盆地地形分類

平原和微斜坡地區是人類活動的主要區域，如德令哈、都蘭、格爾木等地人類工業活動相對頻繁，周圍環境遭到嚴重破壞，NDVI表現出輕度退化的趨勢。隨著坡度的上升，人類活動相應減弱，植被則表現出一定的上升趨勢，并且年間植被變化相對活躍。在峭坡和垂直壁，坡度較大，并不適合植被生長，年間植被變化并不顯著。

圖4 柴達木盆地坡度等級與NDVI變化等級的關系

4 討 論

本文探究了1998—2018年柴達木盆地植被NDVI在典型地貌單元下的變化特征，其變化特征均具有一定規律性，研究結果和結論可以為當地制定有針對性地生態環境保護策略提供決策支持與數據依據。1998—2018年，柴達木盆地內NDVI與青海省NDVI變化趨勢一致，總體呈上升趨勢，特別是東部農業區，其增勢達到顯著性水平[21]，NDVI與海拔之間表現出明顯的正相關關系，該結論與李紅梅[22]、張斯琦[3]的研究成果一致。2008年之前，盆地內NDVI呈現出明顯的增勢，說明國家的生態環境治理效果日益凸顯，公眾環保意識在逐步提高；2008年之后，盆地內植被NDVI處于穩定狀態，區域生態環境逐漸好轉。今后需進一步提高盆地內植被覆蓋，促進生態環境持續優化。本文在探究植被NDVI變化中，受Landsat影像的成像時間和成像周期的影響，在分析盆地NDVI變化中，以5 a為一階段，雖可反映植被變化趨勢，但時間連續性缺乏，長時期變化規律認知不足。地形效應變化過程中，柴達木盆地最低海拔在2 000 m以上，在低海拔地區，植被NDVI隨地形效應規律是否產生不同特征值得進一步研究。

5 結 論

(1) 1998—2018年，受到自然災害及人類活動的影響，柴達木盆地整體NDVI表現出波動性增長的趨勢。不同地貌分區下水源是限制盆地內植被生長的主要因子，在柴達木盆地區(Ⅱ)的沖積扇和洪積扇地區，NDVI呈現不同程度的中度改善和明顯改善。人類活動對于植被生長則表現出兩面性，在德令哈中海拔流水作用丘陵臺地平原區(Ⅱ2)附近NDVI受人類耕作影響表現出改善趨勢，但在達布遜中海拔、鹽湖沉積平原區(Ⅱ3)湖泊周區，受到人類采鹽的影響，NDVI則表現出較嚴重的中度退化和明顯退化趨勢。

(2) 1998—2018年，受氣候、人類活動和植被類型的影響，NDVI和海拔高度呈現明顯的正相關，隨著海拔高度的升高，NDVI呈上升趨勢。柴達木盆地區(Ⅱ)NDVI主要小于0.2，在昆侖山山地區(Ⅲ)和鄂拉山山地區(Ⅳ)NDVI大于0.4。

(3) 1998—2018年受人類活動的影響，柴達木盆地NDVI隨著坡度的增大呈現出先升高后下降的趨勢。在平原、峭坡和垂直壁不同植被等級所占比重都比較小，且在平原地區呈現出輕度退化的趨勢，在坡度較大的峭坡和垂直壁，自然因素導致其植被生長受限。